Um caso curioso de captação de carbono

Um caso curioso de captação de carbono

Ao longo dos anos, os casos de captação de carbono, resultando em variações sutis de dureza em aços com 0,30% e 0,40% de carbono, após o endurecimento em atmosfera neutra, em uma atmosfera de gás endotérmico, têm sido relatados e, muitas vezes, resultam em retrabalho ou em sucateamento de cargas. É hora de discutir o que faz com que isto ocorra e que medidas podem ser tomadas para evitá-la. Vamos aprender mais.

Um Exemplo do Mundo Real

Pegando um caso recente de tratamento térmico de peças extremamente finas, de aproximadamente 1 mm de espessura, fabricado a partir de tiras de 4130. A carga consistia de 740 peças, que foram bem espalhadas em uma cesta e cobertas com uma tela para reter o calor durante a transferência para a têmpera. O peso líquido da carga era de apenas 1 kg. As peças foram tratadas num forno de têmpera integrado, a 870°C, mantido durante duas horas à temperatura de valor nominal com uma sonda de oxigênio para 0,30% de C e, em seguida, temperadas em óleo.

Durante a inspeção microestrutural para verificar a descarbonetação, foi detectado que as peças captaram carbono na superfície. Um “caso” fino foi desenvolvido, o que foi confirmado por meio de testes de microdureza (Tabela 1) e análise metalúrgica (Fig. 1). A microscopia óptica revelou diferenças súbitas na microestrutura martensítica próxima à superfície, dentro dos primeiros 0,20 mm, e na microestrutura do núcleo.

A explicação mais avançada e provável era de que o componente havia captado o carbono adicional a partir da atmosfera do forno. Uma revisão das tabelas do forno, no entanto, confirmou que o ponto de ajuste de carbono foi mantido durante todo o ciclo e que o tempo e a temperatura de austenitização estavam corretos. A uniformidade da temperatura do forno foi verificada e considerada dentro de ± 5,5°C. A atmosfera de gás endotérmico tinha permanecido consistente, bem como com um ponto de orvalho de entrada de + 6°C.

Embora o cálculo de carbono a partir do sinal de milivolts de uma sonda de oxigênio dependa de uma multiplicidade de fatores, incluindo a idade e a condição da sonda e a história de aquecimentos, uma variação de 5 mV (uma estimativa conservadora) equivale a uma mudança de carbono de somente 0,03%, dados os parâmetros de processo acima.

Se considerarmos a variação de dureza em função do teor de carbono no material, encontramos que um aço com composição nominal de 0,30% de C, temperado para 99,9% de martensita (Fig. 2), teria uma dureza resultante de 50 HRC, enquanto um aço com 0,32% C teria 51 HRC e outro com 0,34% C teria 52 HRC. Assim, uma variação sutil no teor de carbono do aço em si poderia explicar esse fenômeno.

Fontes de Variação de Dureza

Para investigar de forma completa a variação de dureza, como a reportada, precisamos considerar todos os fatores que possam estar envolvidos

Composição Química e Variação no Teor de Carbono

Podem ocorrer variações na composição do aço (e no endurecimento resultante) nas partes de um componente. Cada tipo de aço tem uma faixa de composição aceitável para cada um dos elementos que ela contém. No caso da liga 4130, a faixa permitida de carbono é de 0,28 a 0,33%. Podem surgir variações no teor de carbono devido a efeitos de microssegregação, oriundas de uma determinada variação de aquecimento, variação de aquecimento para aquecimento e pela captação de carbono ou descarbonetação experimentadas durante os ciclos de tratamento térmico. Depender exclusivamente dos dados de certificação do material pode ser enganoso. É sempre melhor analisar o material em questão, de modo que o teor real de carbono possa ser utilizado na previsão dos resultados.

Subaquecimento

Isto pode ocorrer devido à temperatura baixa e/ou tempo insuficiente à temperatura. O resultado é que o componente ou alguma região dentro do componente pode nunca alcançar a temperatura crítica superior no aquecimento, por um tempo suficiente durante o período de austenitização do ciclo de endurecimento. Por exemplo, a temperatura crítica inferior de aquecimento (Ac1) para o aço 4130 é de aproximadamente 750°C, enquanto a temperatura crítica superior (Ac3) é de aproximadamente 800°C. A temperatura normal de austenitização especificada para este aço é de 870°C. Se a austenitização for insuficiente, partes ou a totalidade da seção transversal da peça podem não ser martensíticas após a têmpera.

Carregamento do Forno

Em um esforço para maximizar a produtividade, corremos o risco de sobrecarregar o forno ou, no caso de certos fornos contínuos, empilharmos as peças em cima de outra, formando grandes aglomerações. Nestes casos, existe uma alta probabilidade de que algumas das peças sejam subaquecidas. Uma maneira de saber se isso está acontecendo é ter um banco de dados de microestruturas (e correspondentes valores de dureza), que representem os produtos austenitizados adequadamente e os subaquecidos, com base em dados empíricos recolhidos ao longo do tempo ou experimentos projetados.

Superaquecimento

Exceder a temperatura de austenitização recomendada para um determinado aço nunca é uma boa prática, especialmente para os aços que possuem níveis de carbono nos quais quantidades significativas de austenita retida podem se formar na microestrutura endurecida. A austenita retida é mais mole do que a martensita e quantidades crescentes desta fase resultarão em menores valores de dureza. Temperaturas excessivamente altas também podem promover o crescimento dos grãos. Se isto ocorrer antes da têmpera, a temperabilidade irá aumentar e as microestruturas resultantes e os níveis de dureza irão variar em conformidade com isto. Isto é particularmente importante por causa da ênfase atual no aumento da produtividade, reduzindo os tempos de ciclo por meio da utilização de temperaturas de austenitização mais elevadas.

Tempo de Transferência do Aquecimento para a Têmpera

Precisamos considerar a temperatura crítica superior no resfriamento (Ar3) e a temperatura crítica inferior no resfriamento (Ar1), bem como os diagramas TTT (tempo, temperatura, transformação) e/ou CCT (transformação com resfriamento contínuo). Estes irão fornecer orientações sobre as temperaturas que devem ser mantidas antes da têmpera. A taxa de resfriamento determina se será desenvolvida uma microestrutura plenamente martensítica e os níveis de dureza correspondentes que irão ocorrer.

Se os componentes forem mantidos na faixa intercrítica, entre a Ar3 e a Ar1, ou resfriados de forma insuficiente através dela, será formada ferrita pró-eutetóide. Se as taxas de resfriamento forem insuficientes, resultarão em várias quantidades e combinações de produtos de transformação não-martensíticos (NMTPs), com níveis de dureza correspondentemente menores. A Fig. 2 é uma ferramenta de valor inestimável para avaliar a dureza relativa que pode resultar e é possível observar que para um dado teor de carbono, digamos 0,30% C, a dureza pode variar de 50 HRC (99,9% de martensita) a 37 HRC (50% de martensita).

Resumindo

O desafio ao se falar sobre as mudanças sutis na dureza é que a variabilidade pode ser induzida por muitos fatores. Para todos os casos discutidos aqui, o leitor pode provavelmente pensar em exemplos de sua experiência que foram causados por outros fatores. No entanto, a discussão é que é importante. Ela traz à tona o fato de que, se grande ou pequena, as mudanças na dureza precisam ser exploradas e as causas determinadas para que os nossos processos sejam mantidos sob controle.

Referências


[1] Mr. Craig Darragh, AgFox LLC, technical contributions and private correspondence;
[2] Mr. James Oakes, Super Systems, Inc., technical contributions and private correspondence;
[3] Practical Data for Metallurgists, 17th Edition, The Timken Company.

 

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